Kentsel nitelikli arıtma çamurlarının ultrasonik yöntemle ön arıtımı

itüdergisi/e
su kirlenmesi kontrolü
Cilt:20, Sayı:1, 39-48
Mayıs 2010
Kentsel nitelikli arıtma çamurlarının ultrasonik yöntemle ön
arıtımı
Gülbin ERDEN*, Ayşe FİLİBELİ
Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Kaynaklar Kampüsü, 35160, Buca, İzmir
Özet
Bu çalışmada, bir ileri oksidasyon tekniği olan ultrasonik arıtmanın biyolojik çamurların anaerobik
çürümesi öncesinde bir ön arıtma işlemi olarak kullanılabilirliği üzerine yapılan deneysel çalışmanın sonuçları verilmiştir. Çalışmada oldukça düşük ultrasonik frekans (20 kHz) uygulamasında, özgül enerji değişiminin çamur dezentegrasyonu üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, 0 ile
15880 kJ/kg KM arasında değişen özgül enerji değerleri kullanılarak flok dezenteg-rasyonu açısından en uygun enerji seviyesi dezentegrasyon derecesi parametresi dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Bunun yanı sıra, ultrasonik ön arıtma işleminin biyolojik çamurların üst suyu özellikleri,
çamur katılarının çözünürlüğü ve çamurların filtrelenebilirlik özellikleri üzerine olan etkisi değerlendirilmiştir. Ultrasonik yöntemle ön arıtılan çamurların anaerobik çürüme potansiyelleri ise yürütülen biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) testleri ile değerlendirilmiştir. En yüksek
dezentegrasyon derecesi (%57.9) değeri 9690 kJ/kg KM özgül enerji uygulamasında elde edilmiş;
9690 kJ/kg KM özgül enerjinin flok dezentegrasyonu için yeterli olduğu sonucuna varılmıştır. Daha
yüksek özgül enerji uygulaması dezentegrasyon derecesinin düşmesine neden olmuştur. BMP testi
sonuçları ise ultrasonik ön arıtma işleminin çamurların biyolojik olarak parçalanabilirliklerini geliştirdiğini göstermiştir. 9690 kJ/kg KM özgül enerji kullanılarak ön arıtılmış çamurda ham çamura
oranla %44 daha fazla metan gazı üretimi sağlamıştır. Ultrasonik ön arıtma uygulaması çamur üst
suyunda kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), toplam azot ve toplam fosfor konsantrasyonlarının artışına neden olmuştur. Ultrasonik ön arıtma uygulamasıyla azalan toplam katı madde ve organik katı
madde içerikleri de ultrasonik ön arıtma uygulamasının çamur katılarının çözünürlüğüne neden olduğunu göstermiştir. Kapiler emme süresi (KES) testi sonuçları ile ultrasonik ön arıtma uygulamasının çamurların filtrelenebilirlik özelliklerini olumsuz etkilediği belirlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Anaerobik parçalanabilirlik, biyolojik çamur, flok dezentegrasyonu, ultrasonik ön
arıtma.
*
Yazışmaların yapılacağı yazar: Gülbin ERDEN. gulbin.erden@deu.edu.tr; Tel: (232) 412 71 29.
Bu makale 04-06 Bu makale, 04-06 Kasım 2009 tarihleri arasında İzmir’de düzenlenen 2. Ulusal Arıtma Çamurları Sempozyumu’nda sunulan bildiriler arasından, İTÜ Dergisi/e Su Kirlenmesi Kontrolü dergisinde basılmak üzere seçilmiştir. Makale
metni 24.02.2009 tarihinde dergiye ulaşmış, 02.04.2010 tarihinde basım kararı alınmıştır. Makale ile ilgili tartışmalar
31.10.2010 tarihine kadar dergiye gönderilmelidir.
G. Erden, A. Filibeli
used to produce methane in the anaerobic digestion
(Wang et al., 2005). The disintegration degree of
sonicated sludge increased with increasing specific
energy in each experiment. The highest disintegration degree was achieved 9690 kJ/kg DS application; hence 9690 kJ/kgTS of supplied energy is efficient for cell lysis. Particle size of sludge is another
important parameter for floc disintegration. The reduction in particle size generally allows an easier
hydrolysis of solids within the sludge due to larger
surface areas in relation to the particle volumes. The
result is an accelerated and enhanced degradation
of the organic fraction of the solid phase (Muller,
2003). Ultrasonic treatment led to change of physico-chemical characteristics of sludge. For instance,
temperature increased almost linearly with increasing specific energy. In contrast, pH decreased during ultrasonic pre-treatment. The destruction of floc
structure and disruption of cells results in the release of organic sludge components into the liquid
phase. Thus, sludge’s supernatant characteristics
were also affected the ultrasonic pre-treatment. For
9690 kJ kg-1TS, the soluble chemical oxygen demand (SCOD), dissolved organic carbon (DOC),
total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) in
sludge’s supernatant increased by 340%, 860%,
716%, and 207.5%, respectively. In sludge disintegration processes organic material is transfered to
the liquid phase from the solid phase. Higher solubilisation degree of volatile solids in sludge is important for the elimination of hydrolysis phase of anaerobic biodegradation further. Ultrasonic treatment induced sludge reduction due to the solubilization of total and volatile solids. The main purpose of
disintegration is the elimination of hydrolysis step to
accelerate the anaerobic degradation. The potential
for improving anaerobic digestion through ultrasonic pre-treatment was also evaluated with biochemical methane potential (BMP) tests. BMP results obtained in this study suggest that ultrasonic
pre-treatment lead to increase the anaerobic biodegradability of biological sludge. For 9690 kJ/kg TS,
44% higher methane production in pre-treated
sludge was obtained comparing to the raw sludge.
Protein hydrolysis was also performed successfully
by ultrasonic pre-treatment even at very low ultrasonic density levels. Furthermore, CST results
showed that ultrasonic pre-treatment deteriorates
the filterability of biological sludge.
Ultrasonic pre-treatment of treatment
plant sludge
Extended abstract
Disintegration was developed as the pretreatment
process of sludge to accelerate the digestion processes. Ultrasonic treatment may be a good alternative for sludge disintegration. Ultrasonic energy can
be applied biological sludge to disintegrate flocs
and disrupt bacterial cells’ walls, and the hydrolysis
can be improved, so that the rate of sludge digestion
and methane production is improved1. Ultrasound
treatment as sludge disintegration results in increase of chemical oxygen demand in the sludge supernatant and size reduction of sludge solids (Tiehm
etal., 1997). Ultrasonic process leads to cavitation
bubble formation in the liquid phase. These bubbles
grow and then violently collapse when they reach a
critical size. Cavitational collapse produces intense
local heating and high pressure on liquid–gas interface, turbulence and high shearing phenomena in
the liquid phase. Because of the extreme local conditions, OH•, HO2•, H• radicals and hydrogen peroxide can be formed. Thus, three mechanisms (hydrochemical shear forces, thermal decomposi-tion of
volatile hydrophobic substances in the sludge, and
oxidizing effect of free radicals produced under the
ultrasonic radiation) are responsible for the ultrasonic activated sludge disintegration (Bougrier etal.,
2005; Wang etal., 2005; Riesz etal., 1985). Previous
studies showed that low frequency ultrasound like 20
kHz is very effective in activated sludge disintegration, Gonze etal., 2003; Zhang etal., 2008). The effects of initial total solids content of sludge, power
density, and sonication time on floc disintegration
were investigated by several researchers (Chu etal.,
2001; Gonze etal., 2003; Show etal., 2007; Zhang
etal., 2008). Previous studies showed that low density and long duration sonication is more efficient
than high density and short duration (Pham etal.,
2009; Xie etal., 2009). In this work, feasibility of
using an oxidative technique of ultrasonic treatment
to improve anaerobic biodegradability of biological
sludge was investigated. Different specific energy
inputs ranged 0 to 15880 kJ/kg DS was applied to
biological sludge for disintegration purpose and optimum energy input was evaluated based on disintegration degree parameter. The disintegration degree
permits to evaluate the maximum level of sludge
solubilization. Increase of DD is determined as the
substance that can be readily
Keywords: Anaerobic biodegradability, biological
sludge, floc disintegration, ultrasonic pre-treatment.
40
Kentsel nitelikli arıtma çamurlarının ultrasonik yöntemle ön arıtımı
ji, ultrasonik frekans ve ultrasonik arıtma uygulanan maddenin yapısından etkilenmektedir
(Bougrier vd., 2005). Çamurda başlangıç katı
madde konsantrasyonu, ultrasonik güç yoğunluğu ve ultrasonik arıtma uygulama süresinin
flok dezentegrasyonu üzerindeki etkileri birçok
araştırmacı tarafından araştırılmış olup (Chu
vd., 2001; Gonze vd., 2003; Show vd., 2007;
Zhang vd., 2008) daha önce yapılmış olan çalışmalar düşük güç yoğunluğu ve uzun uygulama
süresinin, yüksek güç yoğunluğu ve düşük
uygulama süresinden daha etkili olduğunu
göstermiştir (Pham vd., 2009; Xie vd., 2009).
Giriş
Çamur dezentegrasyonu, anaerobik çürüme
öncesinde anerobik çürüme uygulamasında hız
sınırlayıcı adım olan hidroliz aşamasını elimine
etmek ve anaerobik stabilizasyon derecesini
artırmak amacıyla ön arıtma olarak geliştirilmiştir (Bougrier vd., 2005; Weemaes vd., 2001).
Arıtma çamuru dezentegrasyonu, dış gerilmelerin etkisiyle arıtma çamurunun yapısal özelliklerinin bozulması olarak tanımlanabilmektedir.
Fiziksel, kimyasal veya biyolojik etkenler uygulanarak dezentegrasyon gerçekleştirilebilmektedir. Dezentegrasyon yönteminde çamurun pek
çok özelliğini değiştirmektedir (Muller vd.,
2004). Dezentegrasyon uygulamasında, çamura
uygulanan gerilmeler sayesinde çamur flok
yapısı bozulmakta, mikroorganizma hücre
duvarları parçalanmakta, hücre içeriğindeki
organik bileşenleri sıvı faza geçmektedir
(Vranitzky vd., 2005). Dezentegrasyon uygulamasıyla stabilizasyon derecesinin artmasına
bağlı olarak klasik anaerobik çürüme işlemine
göre daha düşük miktarda çamur üretimi, daha
stabil bir çamur ve daha yüksek miktarda biogaz
eldesi mümkün olmaktadır (Wang vd., 2005).
Daha önce yapılmış olan çalışmalar ultrasonik
enerjinin ön arıtma uygulaması olarak çamur
floklarının dezentegrasyonu amacıyla kullanılabileceğini göstermiştir (Tiehm vd., 2001; Nickel
vd., 2007; Zawieja vd., 2008; Pham vd., 2009;
Biyu vd., 2009). Ultrasonik arıtma uygulamasıyla çamur suyunda kimyasal oksijen ihtiyacı
artmakta ve çamur katı maddeleri indirgenmektedir (Thiem vd., 1997). Ultrasonik arıtma işlemi çamur sıvı fazında kabarcık oluşumuna
neden olmaktadır. Oluşan kabarcıklar belirli bir
büyüklüğe ulaştıktan sonra şiddetli bir şekilde
sönmektedir. Balonların sönmesi bölgesel ısınma, sıvı-gaz ara yüzeyinde yüksek basınç ve
sıvı fazda yüksek gerilime neden olmaktadır.
Meydana gelen bu olağan üstü koşularda, •OH,
HO2•, H• ve hidrojen peroksit oluşmaktadır.
Ultrasonik arıtma işleminde hidro-mekanik
kesme kuvvetleri, çamurdaki hidrofobik uçucu
maddelerin termal birikimi ve ultrasonik radyasyon altında oluşan radikaller olmak üzere üç
temel mekanizma bulunmaktadır (Bougrier vd.,
2005; Riesz vd., 1985; Wang vd., 2005).
Ultrasonik arıtma mekanizması ultrasonik ener-
Bu makale kapsamında ultrasonik arıtma işlemi
kentsel nitelikli arıtma çamurlarının dezentegrasyonu amacıyla uygulanmış; 0.04 ile 0.1
W/mL arasında değişen oldukça düşük güç
yoğunluklarında ve düşük ultrasonik frekansta
(20 kHz) özgül enerjinin flok dezentegrasyonu
üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bunun yanı sıra,
ultrasonik arıtma uygulamasının çamur ve
çamur üst suyu özelliklerine etkisi incelenmiştir.
Son alarak, ultrasonik yöntemle ön arıtılmış
çamurların anaerobik çürüme potansiyeli yürütülen deneysel çalışma ile araştırılmıştır.
Materyal ve yöntem
Çamur özellikleri
Deneysel çalışma kapsamında ultrasonik ön
arıtma, İzmir’de bulunan bir kentsel atıksu arıtma tesisinin son çökeltim havuzu çıkışından alınan atık aktif çamur örneklerine uygulanmıştır.
BMP testinde aşı çamur olarak kullanılan granüler anaerobik çamur ise bira endüstrisi atıksularının arıtıldığı tam ölçekli bir yukarı akışlı
çamur yataklı anaerobik reaktörden alınmıştır.
Çalışmada ilk olarak çamurların özelliklerini
belirlemeye yönelik olarak analizler yapılmış ve
tüm parametreler Standart Metotlarda verilen
prosedüre uygun olarak analizlenmiştir (APHA,
2005). Aktif çamur ve aşı çamurun özellikleri
Tablo 1’de verilmiştir.
Ultrasonik ön arıtma
Ultrasonik ön arıtma uygulaması BandelinSonopuls HD 2200 marka bir ultrasonik homojenleştirici ve homojenleştirici ile bağlantılı
41
G. Erden, A. Filibeli
Tablo 1. Aktif çamur ve anaerobik aşı çamur özellikleri
Parametre
pH
Eİ, Elektriksel iletkenlik (µS / cm)
KM, Kuru madde içeriği (%)
OM, Organik madde içeriği (%)
ÇOK, Çözünmüş organik karbon (mg/L)
KOİÇ, Çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı, (mg/ L)
TN, Çamur üst suyunda toplam azot (mg/ L)
TP, Çamur üst suyunda toplam fosfor (mg/ L)
Aşı çamur
7.93
3.07
7.40
82.20
1920
95.5
125
BMP testi
Ultrasonik ön arıtma işleminin çamurun mezofilik koşullar altında anaerobik parçalanabilirliği
üzerine etkisini belirlemek amacıyla BMP testi
uygulanmıştır. Bu amaçla, ham çamur örneğinde ve optimum özgül enerji kullanılarak ultrasonik ön arıtma uygulanmış çamur örneğinde
BMP testi yürütülmüştür. BMP testinde 150 mL
hacmindeki serum şişelerine 1/2 oranında aktif
çamur ve anaerobik aşı çamuru ilave edilmiştir.
Toplam hacimin (60 mL) %20’si olacak şekilde
tüm makro ve mikro nütrientleri içeren bazal
solüsyon eklenmiştir (Speece, 1996). Anaerobik
koşulların sağlanması amacıyla serum şişeleri 34 dakika süreyle %25 CO2 ve %75 N2 içeren
gaz karışımından geçirilmiştir. Serum şişeleri 35
± 2°C sıcaklıktaki inkübatörde bekletilmiş;
metan gazı oluşumu, şişelerin %3 NaOH
(ağırlık/hacim) içeren sıvıdan geçirilmesiyle
ölçülmüştür (Razo-Flores vd., 1997).
çalışan VS 70 T model bir ultrasonik prob
kullanılmıştır. Bu sistem 20 kHz gibi düşük
frekansa ve 200 W güce sahiptir. Çalışmada 500
mL hacmindeki çamur örnekleri cam beherlere
konmuş ve 0 ile 60 dakika arasında değişen
farklı sürelerde ultrasonik arıtma uygulanmıştır.
Değişen sürelere bağlı olarak ise 0 ile 15880
kJ/kg KM arasında değişen farklı özgül enerji
(ÖE) değerleri ile çalışılmıştır. Ultrasonik arıtma uygulamasında kullanılan deney koşulları
Tablo 2’de verilmiştir.
Özgül enerji (Bougrier vd., 2006) ultrasonik güç
(P), uygulama süresi (t), örnek hacmi (V) ve
başlangıç kuru madde konsantrasyonu (KM0)
kullanılarak aşağıda verilen bağıntı ile hesaplanmıştır.
ÖE= P (W) * t (s) / V (L) * KM0 (g/L)
Aktif çamur
6.95
7.23
2.14
47.99
252.6
1200
25
41.3
(1)
Tablo 2. Deney koşulları
Uygulama
süresi (dk.)
1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Ultrasonik güç
(Watt)
20
26
32
36.2
39.4
40
40.4
41.2
43.2
44.4
46
46.4
47.2
Özgül enerji
(kJ/ kg KM)
112
729
1794
3045
4419
5607
6796
8086
9690
11204
12897
14310
15880
42
Güç yoğunluğu
(W/mL)
0.040
0.052
0.064
0.072
0.079
0.080
0.081
0.082
0.086
0.089
0.092
0.093
0.094
Kentsel nitelikli arıtma çamurlarının ultrasonik yöntemle ön arıtımı
(Goodwin vd., 1985; Frolund vd., 1996). Ekstraksiyon sonrasında örneklerdeki protein içerikleri protein kitleri kullanılarak spektrofotometrik olarak analizlenmiştir (Prosedür No.
TP0300 Micro Lowry, Sigma). Anaerobik olarak çürütülen çamurların filtrelenebilirlik özelliklerini belirlemek amacıyla uygulanan kapiler
emme süresi testi Triton marka A-304M model
bir KES analizörü kullanılarak yürütülmüştür.
Analitik metotlar
Ultrasonik ön arıtma sonrasında çamurların
dezentegrasyonu, KOİÇ ölçümlerine dayanarak
belirlenen dezentegrasyon derecesi (DD) parametresi esas alınarak değerlendirilmiştir (Muller
2000). KOİ parametresi Standart Metotlarda
verilen prosedüre (5220 B. Open Reflux Method)
göre belirlenmiştir (APHA, 2005). Çamur suyundaki çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİÇ)
ile azot ve fosfor konsantrasyonlarının belirlenmesi amacıyla çamur örnekleri, analiz öncesinde
4°C sıcaklık, 10000 rpm hız değerinde 30 dk.
santrifüjlenmiştir. Çözünmüş organik karbon
(ÇOK) konsantrasyonları Shimadzu marka, ASIV model bir TOC analizörü kullanılarak belirlenmiştir. Çamur suyundaki azot ve fosfor konsantrasyonları Nova 60 marka bir fotometre ile
sırasıyla 14537 ve 00616 nolu Merck marka
kitler kullanılarak belirlenmiştir. KM ve OM
parametreleri Standart Metotlarda verilen prosedüre göre analizlenmiştir (APHA, 2005).
Sonuçlar
Dezentegrasyon derecesi, çamurun çözünebilirliğinin son kademesini belirlemede kullanılan
bir parametredir (Bougrier vd., 2005). Şekil
1’de görüldüğü gibi dezentegrasyon derecesi
artan özgül enerji seviyesine bağlı olarak
artmıştır.
1000 kJ/kg KM değerinden daha düşük özgül
enerji seviyelerinde oldukça düşük dezentegrasyon derecesi değerleri elde edilmiştir. 729 kJ/kg
KM uygulamasında DD değeri %14.8 olarak
hesaplanmıştır. Elde edilen bu sonuç Bougrier
ve diğerleri (2005) tarafından elde edilen sonuç
ile uyum içindedir. En yüksek DD değeri 9690
kJ/kg KM özgül enerji ve 40 dakika ultrasonik
arıtım süresiyle elde edilmiş ve bu uygulamada
DD değeri %57.9 olarak belirlenmiştir. 9690
kJ/kg KM’nin üzerindeki uygulamalarda düşen
DD değerlerini hidroksil radikallerinin yüksek
oksidasyon etkisi ile açıklamak mümkündür.
Yüksek enerji seviyelerinde ultrasonik arıtma,
çamur çözünürlüğünü takiben çamur mineralizasyonuna yönelik bir etki göstermektedir.
KM çözünürlüğü ve OM çözünürlüğü aşağıda
verilen bağıntılar kullanılarak hesaplanmıştır
(Bougrier vd., 2006):
ÇKM= [(KM0 − KMu) /KM0] × 100%
(2)
ÇOM = [(OM0 − OMu) /KM0] × 100%
(3)
Partikül boyutu dağılımları Malvern marka,
2000QM model bir partikül boyutu analizörü
kullanılarak belirlenmiştir. Çamur içeriğindeki
hücre dışı polimerik maddeler ısıl ekstraksiyon
tekniği kullanılarak ekstrakte edilmiştir
60
9690; 57.9
DD (%)
50
40
30
20
10
0
0
4000
8000
12000
Özgül Enerji (kJ/kgKM)
16000
Şekil 1. Özgül enerjinin fonksiyonu olarak değişen dezentegrasyon derecesi değerleri
43
G. Erden, A. Filibeli
Ultrasonik ön arıtma işlemi biyolojik çamurların
fiziksel ve kimyasal özelliklerinin değişmesine
yol açmaktadır. Çamur örneklerinin sıcaklıkları
artan özgül enerji seviyesine bağlı olarak artış
göstermiş ve uygulanan en yüksek enerji seviyesinde 22°C’den 72°C’ye yükselmiştir. Buna karşılık ultrasonik ön arıtma işlemi ile çamurların
pH değerleri azalmış; ham çamurda 6.95 iken en
yüksek özgül enerji uygulamasında 6.16 olarak
belirlenmiştir.
Toplam fosfor konsantrasyonu 6000 kJ/kg
KM’nin üzerindeki özgül enerji değerlerinde
neredeyse sabitlenmiştir. 40 dakika ultrasonlama süresi ve 9690 kJ/kg KM özgül enerji uygulamasında toplam fosfor ham çamur suyundaki
fosfor konsantrasyonuna oranla %208 artmış,
41.3 mg/L’den 127 mg/L’ye çıkmıştır.
Ultrasonik arıtma uygulaması sonrasında çamurların filtrelenebilirlik özelliklerini belirlemek amacıyla uygulanan KES testi sonuçları
Şekil 3’te verilmiştir. Sonuçlara bakıldığında
artan özgül enerji seviyesine bağlı olarak KES
değerlerinin arttığı görülmektedir. Ultrasonik
arıtma uygulaması çamurların filtrelenebilirlik
özelliğini olumsuz etkilemiştir.
Tablo 3’te farklı özgül enerji değerleri için elde
edilen partikül boyutu sonuçları özetlenmiştir.
Ultrasonik arıtma uygulaması çamurda partikül
boyutu azalmasına neden olmuştur. Artan özgül
enerji seviyesine bağlı olarak çamur partikül
boyutunda azalma meydana gelmiştir. Partikül
boyutu sonuçları çamur dezentegrasyonunun
varlığını göstermekle birlikte proses optimizasyonu açısından yeterli bir parametre değildir.
Hacim ağırlıklı ortalama dikkate alındığında, en
yüksek partikül boyutu indirgenmesi %62 olarak 9690 kJ/kg KM özgül enerji uygulamasında
elde edilmiştir.
Ultrasonik ön arıtma işlemi çamurda toplam ve
organik katı maddelerin çözünürlüğünü artırarak
çamurlarda katı madde indirgenmesine olanak
sağlamıştır (Şekil 4). Toplam organik katıların
çözünürlüğü artan özgül enerji seviyelerine
bağlı olarak artmıştır. En yüksek katı madde ve
organik madde çözünürlük değerleri sırasıyla
%11.45 ve %13.31 olarak 11204 kJ/kg KM
özgül enerji uygulamasında elde edilmiştir. Organik madde çözünürlüğündeki artış anaerobik
çürüme işlemindeki hidroliz aşamasının ortadan
kalkması açısından oldukça önemlidir.
Ultrasonik işlem ile hücre içi materyalin
çözünmesi sıvı fazda toplam azot ve toplam
fosfor artışına neden olmaktadır. Çamur sıvı
fazındaki toplam azot ve toplam fosfor konsantrasyonları değişimi Şekil 2(b)’de verilmiştir.
Çamur sıvı fazındaki toplam azot ve toplam
fosfor konsantrasyonları artan özgül enerjiye
bağlı olarak artmıştır. Toplam azot konsantrasyonu 11204 kJ/kg KM özgül enerji ve 45 dakika
ultrasonlama süresi uygulandığında 25 mg/L’den
256 mg/L’ye çıkmış ve ham çamur suyundaki
azot konsantrasyonuna oranla %924 artmıştır.
Şekil 5’te verilen protein sonuçlarına bakıldığında, 6000 kJ/kg KM özgül enerji Flok dezentegrasyonunun ilk aşaması hücre parçalanması ve
hücre içi materyalin çamur sıvı fazına geçmesi,
son aşaması ise hücre dışı polimerlerin parçalanması olduğu için ilk aşamada çamur üst suyunda protein içeriği artmakta ve daha sonra
Tablo 3. Farklı özgül enerji seviyelerinde elde edilen partikül boyutu değişimleri
Özgül enerji
(kJ/kg KM)
0
112
1794
5607
9690
11204
15880
Yüzey ağırlıklı
ortalama D[3,2]
16.155
12.426
9.787
9.583
8.142
4.768
5.867
Partikül boyutu (µm)
Hacim ağırlıklı
d (0.1)
ortalama D[4,3]
107.822
8.010
98.091
6.011
73.467
4.647
63.571
4.744
40.644
4.064
47.360
1.858
48.052
2.592
44
d (0.5)
d (0.9)
45.230
36.879
29.944
24.407
18.070
13.303
15.561
265.591
261.668
191.988
197.345
110.642
121.986
121.807
5000
250
120
2000
4000
200
100
1500
3000
150
80
1000
2000
100
60
2500
500
ÇOK
0
0
4000
8000
12000
Özgül Enerji (kJ/kgKM)
Toplam N
Toplam P
0
0
16000
(b)
0
4000
8000
12000
40
20
16000
Özgül Enerji (kJ/kgKM)
KES (s)
Şekil 2. Özgül enerjinin fonksiyonu olarak değişen çamur üst suyu özellikleri
(a) ÇOK ve KOİÇ konsantrasyonları, (b) TN ve TP konsantrastonları
350
300
250
200
150
100
50
0
0
4000
8000
12000
Özgül Enerji (kJ/kgKM)
16000
Şekil 3. Özgül enerjinin fonksiyonu olarak değişen KES değerleri
ÇKM - ÇOM (%)
(a)
50
1000
KOİç
16
14
12
10
8
6
4
2
0
KM
0
4000
8000
OM
12000
16000
Özgül Enerji (kJ/kgKM)
Şekil 4. Özgül enerjinin fonksiyonu olarak değişen katı madde ve organik madde çözünürlük
değerleri
45
TP (m g/L)
140
6000
TN (m g/L)
300
3000
KOİç (m g/L)
ÇOK (m g/L)
Kentsel nitelikli arıtma çamurlarının ultrasonik yöntemle ön arıtımı
G. Erden, A. Filibeli,
Protein (mg/L)
700
600
500
400
300
200
100
0
4000
8000
12000
Özgül Enerji (kJ/kgKM)
16000
Şekil 5. Özgül enerjinin fonksiyonu olarak değişen protein konsantrasyonları
hücre dışı polimerlerin parçalanması ile çamurda protein içeriği azalmaktadır. Ultrasonik ön
arıtma işlemi ile çamur içeriğindeki proteinlerin
hidrolizi gerçekleşmiş; bu sonuç ultrasonik ön
arıtma işleminin bir sonraki aşamadaki anaerobik çürüme işleminin hızlanmasına olanak
sağlayacağını göstermiştir.
uygulanmış çamur örneğinde ham çamura
kıyasla %44 daha fazla metan gazı oluşumu
gözlenmiştir. Bu sonuç ultrasonik ön arıtma
işleminin çamurun dezentegrasyonu amacıyla
kullanıldığında çamurların anaerobik çürüme
performansını geliştirdiğini göstermiştir.
Değerlendirme
Ham çamur ve DD parametresi esas alınarak
belirlenmiş en uygun koşulda (9690 kJ/kg KM
özgül enerji, 40 dakika uygulama süresi) ultrasonik ön arıtma işlemi uygulanmış çamurların
anaerobik parçalanabilirlik ve metan gazı oluşumu açısından değerlendirilmesi amacıyla uygulanmış olan BMP testi sonuçları Şekil 6’da
verilmiştir.
Bu çalışma sonucunda ultrasonik arıtma işleminin anaerobik çürüme öncesinde bir ön arıtma
işlemi olarak kullanıldığında çamurun dezentegrasyonunu sağlayarak stabilizasyon derecesini
artırdığı ve çürüme işleminde daha fazla metan
gazı oluşumuna olanak sağladığı belirlenmiştir.
En yüksek DD değeri (% 57.9) 9690 kJ/kg KM
özgül enerji uygulamasıyla elde edilmiş olup bu
enerji değerinin flok dezentegrasyonu için yeterli olduğu sonucuna varılmıştır. Ultrasonik ön
Serum şişelerindeki 35 günlük inkübasyon
sonrasında ultrasonik yöntemle ön arıtma işlemi
250
Kümülatif Metan
Üretimi (mL)
200
150
100
Ham çamur
50
Ultrasonik yöntemle ön arıtılmış çamur
0
0
5
10 15 20 25 30
İnkübasyon Süresi (gün)
Şekil 6. BMP testi sonuçları
46
35
40
Kentsel nitelikli arıtma çamurlarının ultrasonik yöntemle ön arıtımı
arıtma uygulaması çamurların pek çok özelliğini
değiştirmiştir. KOİç, ÇOK, çamur suyunda toplam azot ve toplam fosfor analizi sonuçları,
ultrasonik arıtma uygulaması ile artan özgül
enerji seviyesine bağlı olarak çamurda çözünmüş organik madde konsantrasyonun arttığını
göstermiştir. Ultrasonik ön arıtma uygulaması
çamurda partikül boyutu azalmasına neden
olmuştur. Artan özgül enerji seviyesine bağlı
olarak çamur partikül boyutunda azalma meydana gelmiştir. Ultrasonik ön arıtma işleminin
çamurların filtrelenebilirlik özellikleri üzerine
etkileri incelendiğinde ultrasonik arıtma uygulamasının biyolojik çamurların filtrelenebilirlik
özelliğini olumsuz yönde etkilediği tespit edilmiştir. Ultrasonik ön arıtma uygulaması ile
çamurda toplam katı madde ve organik madde
çözünürlüğü artarak çamurlarda katı madde
indirgenmesine ve anaerobik çürüme işleminin
performansının artmasına neden olacağı sonucuna varılmıştır. Ultrasonik ön arıtma uygulaması
sonucunda çamur içeriğinde azalan protein
konsantrasyonları da bu sonucu desteklemiştir.
trasonically treated waste-activated sludge, Water
Research, 35, 4, 1038-1046.
Frolund, B., Palmigren, R., Keiding, G.K. ve Nielsen, P.H., (1996). Extraction of extracellular polymer from activated sludge using a cation Exchange resin, Water Research, 30, 8, 1749-1758.
Gonze, E., Pilot, S., Valette, E., Gonthier, Y. ve
Bernis, A., (2003).Ultrasonic treatment of an
aerobic activated sludge in a batch reactor,
Chemical Engineering and Processing, 42, 965975.
Goodwin, J.A.S. ve Forster, C.F., (1985). A further
examination into the composition of activated
sludge surfaces in relation to their settlement characteristics, Water Research, 19, 4, 1038-1046.
Li, Y.Y. ve Noike, T., (1992). Upgrading of anaerobic digestion of waste activated sludge by thermal pretreatment, Water Science and Technology,
26, 857-866.
Muller, J.A., (2003). Conditioning, thickening and
dewatering of mechanically disintegrated excess
sludge, Seperation Science and Technology, 38,
4, 889-902.
Muller, J.A., (2000). Disintegration as a key-step in
sewage sludge treatment, Water Science and
Technology, 41, 8, 123-130.
Muller, J.A., Winter, A. ve Strünkmann, G., (2004).
Investigation and assessment of sludge pretreatment processes, Water Science and Technology, 49, 10, 97-104.
Nickel, K. ve Neis, U., (2007). Ultrasonic disintegration of biosolids for improved biodegradation,
Ultrasonics Sonochemistry, 14, 450-455.
Pham, T.T.H., Brar, S.K., Tyagi, R.D. ve Surampalli
R.Y., (2009). Ultrasonication of wastewater
sludge-Consequences on biodegradability and
flowability, Journal of Hazardous Materials,
163, 891-898.
Razo-Flores, E., Luijton, M., Donlon, B.A., Lettinga, G. ve Field, J.A., (1997). Biodegradation
of selected azo dye under methanogenic conditions, Water Science and Technology, 36, 65-72.
Riesz, P., Berdahl, D. ve Christman, L., (1985). Free
radical generation by ultrasound in aqeous and
nonaqeous solutions, Environmental Health Perspectives, 64, 233-252.
Show, K.Y., Mao, T. ve Lee, D.J., (2007). Optimisation of sludge disruption by sonication, Water
Research, 41, 4741-4747.
Speece, R.E., (1996). Anaerobic biotechnology for
industrial wastewaters, Arche Press.
Tiehm, A., Nickel, K. ve Neis, U., (1997). The use
of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge, Water Science and Technology, 36, 11, 121-128.
Teşekkür
Bu makale TÜBİTAK 105Y337 numaralı proje
kapsamında yürütülen bilimsel çalışmalar sonucunda gerçekleştirilmiştir. Yazarlar TÜBİTAK’a
sağladığı destek için teşekkür etmektedirler.
Kaynaklar
APHA-AWWA-WEF, (2005). Standard Methods
for the Examination of Water and Wastewater,
21st edition, Eaton, A.D. Clesceri, L.S. and
Greenberg, A.E., eds.
Biyu, S. ve Xiaofei, C., (2009). Effect of Aeolosoma
hemprichi on excess activated sludge reduction,
Journal of Hazardous Materials, 162, 300-304.
Bougrier, C., Albasi, C., Delgenés, J.P. ve Carrére,
H., (2006). Effect of ultrasonic, thermal and
ozone pre-treatments on waste activated sludge
solubilisation and anaerobic biodegradability,
Chemical Engineering and Processing, 45, 711718.
Bougrier, C., Albasi, C. ve Delgenés, J.P., (2005).
Solubilisation of waste-activated sludge by ultrasonic treatment, Chemical Engineering Journal,
106, 163-169.
Chu, C.P., Chang, B.V., Liao, G.S., Jean, D.S. ve
Lee, D.J., (2001). Observations on changes in ul-
47
G. Erden, A. Filibeli,
Tiehm, A., Nickel, K., Zellhorn, M. ve Neis, U.,
(2001). Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization,
Water Research, 35, 8, 2003-2009.
Vranitzky, R. ve Lahnsteiner, J., (2005). Sewage
sludge disintegration using ozone – A method of
enhancing the anaerobic stabilization of sewage
sludge, VA TECH WABAH, R&D Process Engineering, Siemensstrasse 89, A-1211, Vienna,
Austria.
Wang, F., Wang, Y. ve Ji, M., (2005). Mechanisms
and kinetics models for ultrasonic waste activated
sludge disintegration, Journal of Hazardous Materials, B1231, 45-150.
Weemaes, M. ve Verstraete, W., (2001). Other
treatment techniques, Sludge into Biosolids
Processing, Disposal and Utilization, Spinosa, L.
ve Vesilind, P.A., eds, London, IWA Publishing:
364-383.
Xie, B., Liu, H. ve Yan, Y., (2009). Improvement of
the activity of anaerobic sludge by low-intensity
ultrasound, Journal of Environmental Management, 90, 260-264.
Zawieja, I., Wolny, L. ve Wolski, P., (2008). Influence of excessive sludge conditioning on the efficiency of anaerobic stabilization process and biogas generation, Desalination, 222, 374-381.
Zhang, G., Zhang, P., Yang, J. ve Liu, H., (2008).
Energy-efficient sludge sonication: Power and
sludge characteristics, Bioresource Technology,
99, 9029-9031.
48